[技術文章] 使用示波器進行電源供應器頻率響應量測

      測試並評估交換式電源供應器(SMPS)與線性DC/DC轉換器的效能時，必須廣泛進行與電源相關的一系列特定量測。其中，常見的量測項目包括電源品質——真實功率、視在功率(apparent power)、無效功率(reactive power)、功率係數與波峰因數等；電流諧波、突波電流、切換損耗、輸出漣波與效率等。


多年來，電源供應器設計工程師均使用標準的桌上型示波器，以手動方式進行量測。但現在許多示波器廠商已提供授權的電源量測選項，可自動執行許多必要的量測。配備所需選項的示波器可大幅縮減測試時間，有助於讓產品儘快上市。


例如，在所需進行的電源供應器特性評估量測清單中，如果有一個項目為測定無效功率(Q)，那麼使用標準示波器手動進行這項量測是極為耗時的任務。如果改用配備電源量測選項的示波器，就能省下可觀的時間。圖1顯示使用配備特殊電源選項的示波器自動執行輸入交流(AC)電源品質量測的範例。


頻率響應分析

儘管示波器可執行各式各樣的時域電源量測(例如前述的量測作業)，但為了全面分析DC/DC轉換器及濾波器設計特性的穩定度，執行頻域量測也極為重要。必要的頻域量測項目包括電源供應器拒斥比(PSRR)以及控制迴路響應——波德圖(Bode)。執行這一類的頻域量測通常使用低頻網路分析儀，而非示波器。

但在無法使用低頻網路分析儀時，有些工程師便會採取‘強制’法，亦即使用示波器及外部函數產生器，進行PSRR與波德圖等頻率響應量測。此時工程師必須以多種頻率設定進行多次輸入與輸出電壓量測，然後以各種量測設定來計算對數比。然後必須以手動方式繪製測得與算出的結果，或是將結果輸入PC軟體應用程式中以便進行繪圖。但最終的量測結果在準確性及所需的動態範圍方面仍有問題。大多數的桌上型示波器僅限於支援最高約50dB的動態範圍，遠不及使用網路分析儀所能獲得的結果。

如果示波器中內建波形產生器，並配備支援頻率響應量測的電源量測選項，便可自動執行PSRR及控制迴路響應量測。

電源供應拒斥比(PSRR)
圖2為PSRR量測的測試配置圖，以便量測線性穩壓器或低壓降穩壓器(LDO)等供電裝置，在拒斥待測物DC輸入端注入之頻率成分的表現。換言之，在DC輸入端注入的干擾訊號，有多少會抵達調節過的DC輸出端。




為了執行PSRR測試，必須在DC輸入端注入正弦波，然後從低頻掃描至高頻。此量測必須使用如PicoTest J2120A Line Injector等DC+AC網路求和裝置。該量測系統可測量調變輸入與輸出AC電壓準位，然後為掃描頻段內的每一頻率計算拒斥比20Log(Vin/Vout)。有些工程師認為此公式應為20Log(Vout/Vin)。但此為增益(A)的公式，而非拒斥。拒斥為增益的倒數。

透過使用內建的波形產生器與電源量測選項，示波器首度得以進行此頻率響應量測。

儘管標準的10:1被動探棒可用於探測調變的DC輸入，但 1:1的被動探棒必須用於輸出。假設待測LDO有許多拒斥，輸出的振幅將會非常小(數毫伏以下)。此外，為DC輸出測試點上的探棒正確接地，也是關鍵所在。若使用1:1被動探棒隨附的標準接地線，它將會作為天線使用，並吸取空中大量的雜訊，因而減少量測的動態範圍。短彈簧夾鉗接地轉接器(通常為探棒隨附的配件)或最好是銲錫的探棒插槽，將可提供最佳的低雜訊訊號真實度。



圖3顯示使用PicoTest J2120A Line Injector作為輸入加和裝置，為PicoTest 3.3V線性穩壓器評估版進行PSRR量測的實際測試設置。值得注意的是輸出探棒量測點上使用的探棒插槽，以進行固定接地連接(無天線！)

圖4顯示使用內建產生器以及授權電源量測選項的示波器所取得的PSRR量測結果。黃色軌跡為輸入電壓波形，綠色軌跡為上一次測試頻率(20MHz)的輸出電壓。請注意，輸出振幅低於1mVpp。紫色軌跡為PSRR圖。該測試是以100Hz到20MHz之間的掃描頻率進行，並用振幅達350mVpp的輸入干擾訊號。最大約68.5dB的拒斥發生在24kHz附近，最小39dB的拒斥則出現在1.6MHz附近。其動態範圍可在低雜訊輸出裝置(如線性穩壓器)上進行高達70dB的PSRR量測。




控制迴路響應(波德圖)

電源供應器實際上是具有如圖5所示之負迴授控制迴路的放大器。換言之，儘管您可能將電源供應器視為DC放大器，但其實只是放大AC，以因應輸出條件的變化(如負載變化。)

執行控制迴路響應測試時，必須將一頻段的錯誤訊號注入控制迴路的回授路徑。R1和R2的電阻分壓器網路為此圖中的回授路徑。若要注入錯誤訊號，必須將小型電阻器插入回授迴路。在此示意圖中的5Ω注入電阻器與R1與R2串聯阻抗相較之下，便顯得微不足道。因此，可考慮在設計中固定加入低數值注入電阻器(Rinj)，以作為測試之用；此外，也需要像PicoTest J2101A等注入變壓器，以便隔離AC干擾訊號，且不會引發任何DC偏壓。


在此範例中，內建函數產生器的示波器量測系統可量測回授網路(Vin)頂層，以及電源供應器調節DC輸出(Vout)的AC電壓位準。示波器接著在掃描頻段內，以各頻率計算20Log(Vout/Vin)的增益。正如之前所述，PSRR測試需要良好的探棒量測技術，這次的量測也需要良好的探棒量測技術。但此時示波器的2個量測通道需要1:1的被動探棒以及固定接地連接。Vin與Voutt的峰值振幅可為實際低點(在某些測試頻率下不到數毫伏)。

圖6所示為控制迴路響應增益圖的結果，使用內建函數產生器並授權電源量測選項的示波器產生。此項測試以100Hz到10MHz的掃頻進行。輸入干擾訊號的振幅設為130mVpp，但會以降壓注入變壓器，將此輸入訊號的振幅降成約13mVpp通過5Ω注入電阻器。在完成掃描量測時，0dB分頻點約以7.1kHz量測。



在為此線性電源供應器進行控制迴路響應增益量測之後，即可手動進行相位延遲量測，以確定0dB分頻頻率(7.1 kHz)的相位餘裕，測得的相位餘裕約為66度。

結語

示波器為當今工程師用於測試與評估電源供應器設計的主要量測工具。但大多數示波器在執行頻率響應量測(如電源供應拒斥比或控制迴路響應)時，會遇到重大限制。是德科技(Keysight Technologies)的InfiniiVision X系列示波器率先提供可自動進行這些關鍵量測的功能。儘管動態範圍與準確性比不上低頻網路分析儀，但通常已能處理一般情況。此外，手中有一台示波器總是方便，而且價錢也不高。您或許可把內建產生器與頻率響應量測功能的示波器看做是「簡化型的網路分析儀」。

**本文章取自電子工程專輯，作者：Johnnie Hancock，是德科技示波器產品事業部產品經理